9 capitulo toselli. a.j miscelanea 18 elementos basicos de petrologia ignea-2010

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Petrologia - Toselli - Capitulo 9

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165 ALEJANDRO TOSELLICapitulo 9Petrologa qumica II: elementos trazas e istoposIntroduccinLoselementostrazasylosistopostienenungrannmerodeusosenlasciencias geolgicas.\ahemosistoqueloselementosmayorespuedenserusadosparaclasicar alasrocasypermitenformularhiptesissobreelorigenyevolucindelossistemas magmticos.Loselementostrazassonincorporadosselectivamenteenlasdiferentes fases y se incorporan o excluyen con gran selectividad, por lo que son muy sensibles a los procesosdefraccionamiento.Comoresultado,elorigendelossistemasfundidosylos procesos eolutios, pueden ser bien denidos utilizando a los elementos trazas, los que son clasicados en base a su comportamiento geoqumico. Lntre los elementos mas utilizados en petrologa estan los metales de transicin ,Sc, 1i, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn,. Los lantanidos, denominados elementos de tierras raras ,Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Lu, Gd, 1b, Dy, Io, Lr, 1m, \b, Lu,, como as tambin Rb, Sr, \, Zr, Nb, Ca, Ba, I, 1a, Pb, 1h y U.Aunqueloselementostrazas,raccionansobrelabasedelaanidadqumicadelas diferentes fases, los istopos de cualquier elementos particular pueden fraccionarse slo en base a dierencias de masa. La distribucin isotpica puede tambin resultar del decaimiento radiactiodeelementosquequmicamenteseraccionantempranamenteypermiten interpretar la historia del sistema rocoso.Distribucin de los ElementosLos dierentes elementos tienen distintas anidades por sitios cristalogracos especcos enlosmineralesuotrosambientessico-qumicosenloscualesresiden.Porejemplo,el Ktiendeaconcentrarseenlosundidostardos,mientrasqueelMgseconcentraenlos minerales que se forman tempranamente durante la cristalizacin de un fundido.Un clasicacin clasica de los elementos los diide en: siderlos ,ases preerentemente enestadometaliconatio,,calclos,asespreerentementecomosuluros,ylitlos ,preerentemente en las ases silicaticas,. Goldschmidt ,193, enunci algunas reglas simples sobre las anidades de los elementos trazas, basados en el radio ionico y las alencias:1. Dos iones con el mismo radio y alencia, deben entrar en solucin slida en cantidades proporcionales a sus concentraciones. Usando esta regla, se puede predecir la anidad general de algunos elementos trazas por analoga con elementos mayores con similar carga y radio. Lste tipo de sustitucin es llamada camunaje. Por ejemplo, el Rb puede esperarse se comporte como el K y concentrarse en los feldespatos potsicos, micas y fundidos evolucionados. El Ni, puede comportarse como el Mg y concentrarse en el oliino y otros minerales macos que se forman tempranamente.2.Sidosionestienenradiosimilarylamismaalencia,elinmaspequenoes preerentemente incorporado en el slido, antes que en el lquido. Dado que el Mg es mas pequeno que el le, tiene preerencia por el slido, mas que con el lquido. Lsto se demuestra comparando la relacin Mg,le en el oliino ersus el lquido en el sistema lo-la ,lig. 9-1,.Miscelanea 18: 165-186Llementos basicos de petrologa gnea 1ucuman, 2010 -ISSN 1514 - 4836 - ISSN on-lineISSN 1668 - 3242 PETROLOGA QUMICA II: ELEMENTOS TRAZAS E ISTOPOS 1663. Si dos iones tienen radio similar pero dierente alencia, el in con carga mayor es mas rapidamenteincorporadodentrodelslidoencomparacinconellquido.AselCr-3y 1i-4, tienen preerencia por el slido, mas que por el lquido.LstaaproximacinsimplistadeGoldschmidt,tieneexcepciones.Lasustitucindeun elementostrazaporunelementomayorrequierenosloradioyvalenciasimilares,sino tambin electronegatiidad, un actor que aecta las caractersticas de los enlaces de los iones minerales. La anidad real de un in esta aectada por la conguracin electrnica.Practicamentetodosloselementossedistribuyenirregularmenteentredosases.Lste eectoesconocidocomoraccionamientoqumico.PorejemplolarelacinCa,Naes siempre mayor en las plagioclasas que en el fundido con el cual coexisten y la relacin Mg/le es siempre mayor en el oliino que en el undido. Cuando se aplica la termodinamica al equilibrio mineral de manera cuantitativa, se podr ver que la distribucin de un elemento entre dos ases en equilibrio a 1 y P particulares y en un rango de composicin jado, puede ser expresado usando la constante de equilibrio K.Fig. 9-1. Sistema lorsterita-layalita.Si la reaccin es de intercambio de algn componente i, entre dos ases, tales como un slido y un lquido:i,lquido,=i,slido,Se puede denir la constante de distribucin KD como:KD = Xislido/ Xilquido ,9-2,Donde Xi es la raccin molar del componente i en la ase slida o lquida. Cuando las concentraciones de los componentes estn relativamente diluidas,KD = CS/CL ,9-3,Donde CS y CL son las concentraciones de los elementos trazas en el slido y en el lquido respectiamente,enppmoenpeso,.KDaunqueesdeterminadoempricamenteylas ecuaciones,9-2y9-3,simplementeestablecenlastendenciasdeloscomponentesquese distribuyen entre las fases que coexisten en equilibrio.Cuando nos reerimos a elementos trazas, el coeciente de distribucin o FRHFLHQWH GH 16 ALEJANDRO TOSELLIparticin se lo suele denominar D en lugar de KD. Los coecientes de la 1abla 9-1, deben serconsideradoscomoaproximaciones,porquearanconlatemperatura,conlapresin ,menos,ylacomposicindelundido,considerablementedesdelosundidosbasalticosa los riolticos,.Loselementostrazasincompatiblesseconcentranmsenelfundidoqueenelslido. Elementos trazas compatibles se concentran en el slido, que por supuesto depende de los mineralesinvolucrados,peroquecomnmenteseestandarizanalosmineralesdelmanto ,oliino, piroxenas y granate,. A los elementos mayores le y Mg se los considera compatibles, mientras que K y Na seran incompatibles. Los elementos incompatibles son subdiididos en dos subgrupos segn la relacin alencia a radio inico. Los mas pequenos y con mayor carga high eld strenght` ,IlS,, incluyen a las tierras raras, 1h, U, Ce, Pb4-, Zr, I, 1i, Nb y 1a. Los de baja carga large ion lithophile` ,LIL, que incluye a: K, Rb, Cs, Ba, Pb2-, Sr, Lu2-, son considerados mas miles, particularmente en presencia de ases nuidas. Los elementos pequenos de baja alencia, son generalmente compatibles, incluyendo a los elementos trazas Ni, Cr, Cu, \, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Au.Paraunaroca,sepuededeterminarloscoecientesdedistribucinparacualquier elemento i calculando la contribucin para cada mineral que integra a la misma. El resultado es denominado coeciente de distribucin global` ,Di, y es denido por la ecuacin:Di ~ \ADAi ,9-4, Donde\AeslaraccinenpesodelmineralAenlaroca,yDAi eselcoecientede distribucin del elemento i en el mineral A. Por ejemplo si tomamos una lherzolita granatera, con 60 de oliino, 25 de ortopiroxeno, 10 clinopiroxena y 5 de granate ,en peso,, el coeciente de distribucin global para el Lrbio ,Lr,, usando los datos de la tabla 9-1, es:DEr ~ ,0,60,026, - ,0,250,23, - ,0,100,583, - ,0,054,, ~ 0,366Otros ejemplos para la peridotita son: DRb ~ 0,016, DSr ~ 0,025, DBa ~ 0,008, mientras que las tierras raras son elementos incompatibles para los minerales del manto y se concentran en los undidos, mientras que DNi ~ 10,4 y DCr ~ 6,39, son compatibles y permanecen en el residuo slido de la peridotita.Tabla 9-1. Coecientes de particin ,CS,CL, de elementos trazas de rocas basalticas y andesticas. La cristalizacin raccionada de magmas basalticos incrementa el enriquecimiento de Rb, Ba y otros elementos incompatibles en los lquidos tardos, mientras que el Ni, Cr y otros elementos compatibles son selectivamente removidos por los cristales de olivino y piroxenos, formados tempranamente.PETROLOGA QUMICA II: ELEMENTOS TRAZAS E ISTOPOS 168Modelos de procesos solido-fundidoBAO DE FUSINCorresponde al modelo ms simple y el fundido permanece en equilibrio con el slido, hasta algn punto que alcance una cantidad crtica y comienza a moerse hacia arriba como sistema independiente. Shaw ,190, deri la siguiente ecuacin:CL/C0 ~ 1,Di,1- l, - lBano de usin,9-5,DondeC0eslaconcentracindelelementotrazaenlaasociacinoriginalantesdel comienzodelausin,CLeslaconcentracinenlquidoyleslaraccinenpesodel undido producido` |~undido,,undido-roca,|. La lig. 9-2 muestra la ariacin de CL/C0 con l para distintos alores de Di, usando la ecuacin 9-5. Muchos petrlogos consideran que alores de l 0,4 son distintos en el manto, porque grandes cantidades de undido se separaran antes de que esos alores puedan ser alcanzados.CuandoDi~1,pordenicinnohayraccionamientoylaconcentracindelos elementos trazas en cuestin son iguales en el lquido y en la uente ,er lnea horizontal en lig. 9-2,. La concentracin de los elementos trazas en el lquido ara mas con Di se desa progresiamente desde 1. Lsto es particularmente cierto para pequenos alores de l ,bajo grado de usin parcial, y para elementos altamente incompatibles ,Di 1,. 1ales elementos incompatibles se uelen altamente concentrados en la pequena raccin inicial de undido que se produce por fusin parcial y posteriormente se van diluyendo con el incremento de l. Naturalmente cuando l se aproxima a 1, la concentracin de cada elemento traza en el lquido debe ser idntico al de la roca uente, porque toda la roca uente se ha undido. Lsto puede erse en la ecuacin ,9-5,, por aproximacin de l a 1, dicha ecuacin se uele:CL/C0 ~ 1para l1,9-6 A,Por otra parte, como l se aproxima a cero, la ecuacin se reduce a:CL/C0 ~ 1,Dipara l 0,9-6 B,As si se conoce la concentracin de un elemento traza en el magma ,CL) derivado de un pequeno desarrollo de bano de usin y si se conoce Di, se puede usar la ecuacin ,9-6B, para estimar la concentracin del elemento en la regin uente ,C0). Esto provee informacin aliosaparacaracterizarlareginuentedelosmagmasnaturales.Notarenlalig.9-2el amplio rango de concentraciones de elementos trazas altamente incompatibles. La ecuacin ,9-6, muestra que ese rango no podra exceder 1,Di.Para elementos muy incompatibles, como cuando el coeciente de distribucin ,Di, se aproxima a cero, la ecuacin ,9-5, se reduce a:CL/C0 ~ 1,l para Di0 ,9-,Estoimplicaquesiseconocelaconcentracindeunelementomuyincompatibleen elmagmayenlarocafuente,sepuededeterminarlafraccindefusinparcialqueseha producido. Esta es una razn por las que los elem